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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektropneumatisches 3/2-Wegeventil
in Sitzbauweise mit einem Ventilgehäuse, an dem ein Belüftungsanschluss,
ein Arbeitsanschluss sowie ein Entlüftungsanschluss angeordnet
ist, welche zur Be- oder Entlüftung des Arbeitsanschlusses über
koaxial innerhalb des Ventilgehäuses gegenüberliegend
angeformte Ventilsitze mittels eines dazwischenliegenden, zumindest
teilweise kugelförmigen Dichtelements wechselseitig verbindbar
sind.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich
auf Pilotventile, welche im Rahmen einer pneumatischen Vorsteuerung ein
Hauptventil, welches meist nach Art eines Schieberventils ausgebildet
ist, mit Steuerdruck beaufschlagen, um das innenliegende Ventilglied
zu betätigen. Hierfür wird auf eine 3/2-Ventilfunktion
zurückgegriffen, um die pneumatische Vorsteuerung entweder
mit dem Steuerdruck zu beaufschlagen oder zu entlüften.
Pilotventile werden bevorzugt in einer platzsparenden Patronenbauweise
gefertigt, um diese in eine korrespondierende die Anschlüsse
aufweisende Gehäuseöffnung einzustecken. Die vorliegende
Erfindung eignet sich insbesondere zur Umsetzung bei solchen Patronenventilen,
ansonsten jedoch vorzugsweise für bauraumsparende Pilotventile.
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Aus
der
DE 10 2004
015 661 B4 geht ein gattungsgemäßes elektropneumatisches
3/2-Wegeventil hervor. Dieses wird vornehmlich als Pilotventil eines
pneumatischen Wegeventils verwendet und besitzt ein Ventilgehäuse,
in welchem eine elektrische Spule mit Eisenkern LK:hv untergebracht
ist. Der Eisenkern wirkt stirnseitig mit einem über einer
Flachfeder rückstellbaren Plattenanker zur elektromagnetischen
Betätigung eines Verschlusselements zusammen. Das Verschlusselement
besteht aus zwei miteinander über eine Platte verbundenen
kugelförmigen Dichtelementen und ist zwischen zwei koaxial einander
gegenüberliegende angeordneten Ventilsitzen platziert,
wobei der eine Ventilsitz zur Entlüftung am mit einem korrespondierenden
Entlüftungskanal versehenen Eisenkern ausgebildet ist,
und der anderer Ventilsitz zur Belüftung am Gehäuse
ausgebildet ist. Sowohl die beiden Ventilsitze als auch das Verschlusselement
bestehen aus einem harten Material. Um eine ausreichende Dichtwirkung
zu erzielen, ist ein relativ hohes Kraftpotential seitens des Antriebs erforderlich,
welches hier durch das Plattenankerprinzip erzeugbar ist. Aufgrund
des Bauprinzips sind hier recht viele Einzelteile erforderlich,
welche in sehr engen Fertigungstoleranzen hergestellt werden müssen,
um trotz der harten Dichtpaarung eine hinreichende Dichtwirkung
zu erzielen.
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Aus
der
DE 101 10 401
A1 geht ein weiteres elektropneumatisches 3/2-Wegeventil
in Sitzbauweise hervor, bei welchem zwei einander gegenüberliegende
Ventilsitze wechselseitig von einem kugelförmigen Dichtelement
betätigbar sind. Die Betätigung erfolgt hier über
einen durch den Ventilsitz zur Entlüftung hindurchragenden
Betätigungsstößel. Das kugelförmige
Dichtelement ist von dem Ventilgehäuse umgeben und an einer
Stelle des Umfangs ist eine Ausnehmung für den Arbeitsanschluss
vorgesehen. Diese stört die exakte Führung des
kugelförmigen Dichtelements entlang seines Hubweges. Auch
hier wird eine harte Dichtpaarung realisiert.
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Aus
dem allgemeinen Stand der Technik sind auch gattungsgemäße
elektropneumatische Wegeventile in Sitzbauweise bekannt, deren Dichtelement aus
einem Elastomermaterial besteht, welches üblicherweise
in einem Kunststoffteil aufgenommen ist, welches auf einer Seite
als Druckstück gestaltet ist und durch Aussparungen im
Ventilgehäuse in dem Antriebsbereich hineinragt. Die Stellbewegung
des elektromagnetischen Antriebs wird über das Druckstück
auf das elastomere Dichtelement übertragen. Bei einem normal
geschlossenen Ventil wird nach Abschalten des Ventils das Kunststoffteil
mit dem elastomeren Dichtelement über den federvorgespannten
Magnetanker gegen eine schwächere Hilfsfeder auf den Ventilsitz
zur Belüftung gedrückt, so dass dieser verschlossen
wird. Nach Einschalten des Ventils wird der Magnetanker in Folge
der elektromagnetischen Kraft entgegen der Wirkung der Ankerfeder
angezogen. Die Hilfsfeder führt das Kunststoffteil mit
dem elastomeren Dichtelement der Ankerbewegung nach, bis das Dichtelement
auf den Ventilsitz zur Entlüftung auftrifft und dort durch
den Arbeitsdruck unterstützt abdichtet. Diese technische Lösung
besitzt somit zumindest drei bewegte Teile, nämlich Hilfsfeder,
Kunststoffteil als Aufnahme des Dichtelements nebst Druckstück
sowie Dichtelement selbst. Diese Teile sind insbesondere bei kleinbauenden
Ventilen sehr filigran und damit nicht einfach zu fertigen und einfach
zu montieren.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektropneumatisches
3/2-Wegeventil in Sitzbauweise zu schaffen, welches sich mit wenig Bauteilen
kleinbauend realisieren lässt und sich durch eine hohe
Schaltzuverlässigkeit auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem elektropneumatischen 3/2-Wegeventil
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung
mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden
abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein elektromagnetisch
bewegbarer Betätigungsstößel durch den
Ventilsitz zur Entlüftung hindurchragend mit dem distalen
Ende an einem kugelförmigen Dichtelement zur Anlage kommt,
welches von konisch geformten Ventilsitzen, die in einem Zylinderbereich
zur Führung entlang des Hubweges übergeben, eingeschlossen
ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
insbesondere darin, dass als bewegliches Bauteil lediglich das kugelförmige
Dichtelement als Bestandteil der Schaltmechanik vorgesehen ist.
Dessen Führung wird entlang des gesamten Hubweges unterstützt
und zwar seitens der Ventilsitze, indem diese konisch geformt sind
und in dem Zwischenbereich zwischen den Ventilsitzen durch einen
durch das Gehäuse gebildeten Zylinderbereich. Somit bleibt
das kugelförmige Dichtelement in Übereinstimmung
mit den Ventilsitzen in koaxialer Anordnung mit der Achse des Betätigungsstößels.
Zusätzliche Federn, Verschlussdeckel oder Führungshülsen
sind insoweit entbehrlich. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung kann deshalb auf eine ansonsten übliche
Feder zur Rückstellung des Dichtelements verzichtet werden,
weil das kugelförmige Dichtelement nicht ausgerichtet auf
die zugeordneten Ventilsitze bewegt werden muss. Dieses kann alleine
durch die Druckkraft des Arbeitsmediums dem zurückweichenden Anker
nachgeführt werden. Die durch die erfindungsgemäß zylindrische
Verlängerung der Ventilsitze gegebene radiale Führung
des kugelförmigen Dichtelements bewirkt eine definierte
axiale Hubbewegung des Dichtelements und eine wirksame Vorzentrierung
bei Auftreffen der Kugel auf den jeweiligen Ventilsitz. Durch die
annährend kegelförmig ausgebildete Dichtsitzkontur
wird die Selbstzentrierung des Dichtelements unterstützt.
Da der Freiheitsgrad der Rotation nicht einschränkt ist,
kann das kugelförmige Dichtelement praktisch in die Dichtposition
hineinrollen.
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Ein
kugelförmig ausgebildetes Dichtelement ist ein einfaches
und mit purer Präzision fertigbares Bauteil, das in Toleranzbetrachtungen
praktisch vernachlässigt werden kann. Hieraus ergibt sich
ein entscheidender Vorteil im Gegensatz zu üblichen elastomeren
Dichtungen, welche trotz aufwendiger Fertigung, wie beispielsweise über
Schleifen der Dichtflächen, in der Dickentoleranz nur schwer
beherrschbar sind.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme ist im Übergangsbereich
zwischen mindestens einem der konischen Ventilsitze und dem Zylinderbereich
mindestens eine radiale Aussparung zur Vergrößerung
des Strömungsquerschnittes vorgesehen. Hierdurch bleibt
die zylindrische Grundform des das Dichtelement führenden
Zylinderbereichs erhalten und der ventilinterne Strömungsquerschnitt wird
gleichzeitig vergrößert.
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Zur
einfachen Montage besteht das Ventilgehäuse gemäß einer
die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme vorzugsweise
aus zwei zusammenfügbaren Gehäuseteilen, denen
jeweils einer der Ventilsitze zugeordnet ist. Dabei können
die beiden Ventilsitze jeweils an einem angeformten Zylinderfortsatz
des zugeordneten Gehäuseteils ausgebildet werden. Hierdurch
werden die Dichtsitze vom übrigen Ventilgehäuse
abgesetzt, so dass eine möglichst gleichmäßige
Schwindung beim Spritzgießen erzielt wird, was zu einer
optimalen Formabbildung führt.
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Vorzugsweise
sollte der Durchmesser der Dichtlinie der gleich gestalteten Ventilsitze
größer als der Durchmesser des zugeordneten Be-
bzw. Entlüftungsanschlusses sein, um nachteilige Engpässe
im Fluiddurchfluss zu verhindern. Zu demselben Zweck wird vorgeschlagen,
den Betätigungsstößel im Bereich des
engen Querschnitts des zugeordneten Ventilsitzes einen mindestens
um die Hälfte kleineren Außendurchmesser zu verleihen.
Die vorzugsweise als Kunststoffspritzgießteile ausgeführten
Gehäuseteile sind miteinander durch formschlüssig
oder form-/kraftschlüssig zusammenwirkende Clipsmittel verbunden.
Zusätzlich oder stattdessen kann die Verbindung auch stoffschlüssig,
beispielsweise mittels Laserschweißen gesichert bzw. hergestellt
werden.
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Zur
platzsparenden Ausgestaltung als Patronenventil wird gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dem
Ventilgehäuse eine rotationssymmetrische Gestalt zu verleihen.
Zumindest der Arbeitsanschluss und der Entlüftungsanschluss
sollten dabei radial außen am Ventilgehäuse angeordnet
sein. Die Drucktrennung zwischen dem Belüftungsanschluss,
dem Arbeitsanschluss sowie dem Entlüftungsanschluss erfolgt
dabei vorzugsweise über dazwischen angeordnete und auf
einem abesetzten Außendurchmesser des Ventilgehäuses
montierte Dichtringe.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen,
den durch den Ventilsitz hindurchragenden Betätigungsstößel
am distalen Ende eine das kugelförmige Dichtelement zentrierende
konkave Ausnehmung zu verleihen. Hierdurch wird die exakte koaxiale
Ausrichtung zwischen kugelförmigem Dichtelement und Betätigungsstößel
im Zusammenwirken mit der durch die beiden konusförmigen
Ventilsitze mit verbindendem Zylinderbereich zur Führung
unterstützt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch ein elektropneumatisches
3/2-Wegeventil im Bereich des Ventilgehäuses, und
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2 einen
Längsschnitt im Bereich des mit dem Dichtelement zusammenwirkenden
Endes des Betätigungsstößels.
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Die 1 zeigt
ein elektropneumatisches 3/2-Wegeventil ohne elektromagnetisches
Antriebsteil. Das Wegeventil ist in Sitzbauweise ausgeführt und
besitzt ein Ventilgehäuse 1, an dem ein äußerer Belüftungsanschluss 2,
ein Arbeitsanschluss 3 sowie ein Entlüftungsanschluss 4 angeordnet
ist.
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Zur
Be- bzw. Entlüftung des Arbeitsanschlusses 3 sind
innenliegend des Ventilgehäuses 1 zwei koaxial
gegenüberliegend angeformte Ventilsitze 5a und 5b vorgesehen,
die konisch geformt sind. Zwischen den beiden konisch geformten
Ventilsitzen 5a und 5b erstreckt sich ein Zylinderbereich 6,
welcher mit radialen Aussparungen 8a; 8b zur Vergrößerung des
Strömungsquerschnittes vorgesehen ist. Denn innerhalb des
von den beiden Ventilsitzen 5a und 5b mit dem
Zylinderbereich 6 gebildeten Käfig ist ein auf die
beiden Ventilsitze 5a und 5b wechselnd wirkendes
kugelförmiges Dichtelement 7 angeordnet. Das kugelförmige
Dichtelement 7 wird über einen elektromagnetisch
bewegbaren Betätigungsstößel bewegt, welcher
durch den Ventilsitz 5a des Entlüftungsanschlusses 4 hindurchragt
und mit dem distalen Ende am kugelförmigen Dichtelement 7 zur
Anlage kommt.
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Das
Ventilgehäuse 1 besteht aus zwei über Clipmittel
zusammengefügte Gehäuseteile 10a und 10b,
denen jeweils einer der Ventilsitze 5a bzw. 5b zugeordnet
ist. Durch diese Teilung lässt sich das innenliegende kugelförmige
Dichtelement 7 vor dem Zusammenclippen montieren. Die konischen
Ventilsitze 5a und 5b sind mit den anschließenden
Teilen des Zylinderbereichs 6 aus einem Zylinderfortsatz
im Inneren des Ventilgehäuses 1 gebildet. Der
auf das kugelförmige Dichtelement 7 einwirkende
Betätigungsstößel 9 weist im
Bereich seines endseitig engsten Querschnitts einen Außendurchmesser
auf, der etwa um die Hälfte kleiner als der Durchmesser des
zugeordneten Ventilsitzes 5a ist.
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Zur
Bildung eines Patronenventils besitzt das Ventilgehäuse 1 eine
rotationssymmetrische Gestalt, wobei der Arbeitsanschluss 3 und
der Entlüftungsanschluss 4 über Querkanäle
radial außen am Ventilgehäuse 1 platziert
sind. Dagegen ist der Belüftungsanschluss 2 stirnseitig
unten am Ventilgehäuse 1 angeordnet. Zur Drucktrennung
zwischen dem Belüftungsanschluss, dem Arbeitsanschluss 3 und
dem Entlüftungsanschluss 4 sind dazwischen angeordnete
und auf einem abgesetzten Durchmesser des Ventilgehäuses 1 montierte
Dichtringe 11a–11c vorgesehen.
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Gemäß 2 besitzt
der Betätigungsstößel 9 am distalen
Ende eine, das – hier nicht weiter dargestellte – kugelförmige
Dichtelement 7 zentrierende konkave Ausnehmung 12.
Ferner ist der Betätigungsstößel 9 mit
einer außenradialen Profilierung 13 versehen,
welche den wirksamen Strömungsquerschnitt an dieser Engstelle
erhöht und den Betätigungsstößel 9 endseitig
eine ausreichende Stabilität verleiht.
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Belüftungsanschluss
- 3
- Arbeitsanschluss
- 4
- Entlüftungsanschluss
- 5
- Ventilsitz
- 6
- Zylinderbereich
- 7
- Dichtelement
- 8
- radiale
Aussparung
- 9
- Betätigungsstößel
- 10
- Gehäuseteil
- 11
- Dichtring
- 12
- konkave
Ausnehmung
- 13
- Profilierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004015661
B4 [0003]
- - DE 10110401 A1 [0004]